リチウム：歴史、構造、特性、リスク、用途 - 化学

リチウムは、その化学記号Liおよび原子番号3である金属元素であり、これは、周期表の3番目の要素であり、グループ1つのアルカリ金属を導きます。すべての金属の中で、密度が最も低く、比熱が最も高い金属です。水に浮くほど軽いです。

その名前は、ギリシャ語で石を意味する「lithos」に由来しています。火成岩の一部の鉱物の一部として正確に発見されたため、この名前が付けられました。さらに、野菜の灰に見られる金属ナトリウムやカルシウムと同様の特性を示しました。

アルゴン中に保管された窒化物層でコーティングされた金属リチウム部品。出典：化学元素の高解像度画像

それは単一の価電子を持ち、ほとんどの反応でそれを失ってLi ⁺陽イオンになる。または、それを炭素との共有結合で共有することにより、有機リチウム化合物（アルキルリチウムなど）のLi-C。

他の多くの金属と同様に、湿気にさらされると灰色がかった銀色の固体になります。空気中の窒素と反応して窒化物を形成すると、黒っぽい層（上の画像）を示します。

化学的には同族体（Na、K、Rb、Cs、Fr）と同じですが、1つの電子がそれに近づくため、および2つの電子のスクリーニング効果が低いため、より大きな引力が発生するため、反応性は低くなります。内部電子。次に、バイアス効果によりマグネシウムと同じように反応します。

研究室では、リチウム塩はライターで加熱することで識別できます。激しい深紅色の炎の出現は、その存在を証明します。実際、分析ラボの教育ラボでよく使用されます。

その用途は、セラミック、ガラス、合金、鋳造工場の混合物の添加剤としての使用から、冷却媒体としての使用、高効率で小型の電池の設計までさまざまです。リチウムの反応性を考えると、爆発的ではありますが。最も酸化しやすい金属であり、そのため電子を最も簡単に放棄する金属です。

歴史

発見

宇宙でリチウムが最初に出現したのは、ビッグバンから数分後、水素とヘリウムの核が融合したときからさかのぼります。しかし、地上では、人類がそれを化学元素として特定するのに時間がかかりました。

ブラジルの科学者ホセボニファシオデアンドラダエシルバがスウェーデンのウテ島で鉱物スポジュメンとペタライトを発見したのは1800年のことです。これで、彼は最初の公式のリチウム源を見つけましたが、それでも彼については何も知られていませんでした。

1817年、スウェーデンの化学者ヨハンアウグストアーフドソンは、これら2つの鉱物から、カルシウムまたはナトリウム以外の元素を含む硫酸塩を分離することができました。それまでに、8月のヨハンは有名なスウェーデンの化学者イェンスヤコブベルゼリウスの研究所で働いていました。

彼の観察と実験の産物であるこの新しい要素をギリシャ語で石を意味する「リトス」と呼んだのはベルゼリウスでした。このように、リチウムは最終的に新しい元素として認識されましたが、それでもそれを分離する必要がありました。

隔離

そのわずか1年後の1821年、ウィリアムトーマスブランデとハンフリーデービーは、酸化リチウムに電気分解を適用することにより、金属としてリチウムを分離することに成功しました。非常に少量ですが、その反応性を観察するには十分でした。

1854年、ロバートウィルヘルムブンセンとアウグストゥスマティセンは、塩化リチウムの電気分解から大量のリチウム金属を生産することができました。ここからその生産と貿易が始まりました、そしてその独特の特性の結果として新しい技術的応用が発見されたので需要は増大しました。

構造と電子構成

金属リチウムの結晶構造は体心立方（bcc）です。すべてのコンパクトな立方体構造の中で、これは最も密度が低く、すべての中で最も軽くて密度の低い金属としての特性と一致しています。

その中で、Li原子は8つの隣人に囲まれています。つまり、Liは立方体の中央にあり、4つのLiが上と下にあります。このbccフェーズは、α-Liとも呼ばれます（ただし、この名前はあまり普及していないようです）。

フェーズ

大部分の固体金属または化合物と同様に、温度または圧力の変化を経験すると、それらは相転移を起こす可能性があります。彼らが設立されない限り。したがって、リチウムは非常に低温（4.2 K）で菱面体構造で結晶化します。Li原子はほとんど凍結しており、その位置では振動が少なくなります。

圧力を上げると、よりコンパクトな六角形構造が得られます。さらに増加すると、リチウムはX線回折では完全に特徴付けられていない他の遷移を経ます。

したがって、この「圧縮リチウム」の特性はまだ研究中です。同様に、その3つの電子（1つは価電子である）がこれらの高圧条件で半導体または金属としての振る舞いにどのように介入するかはまだわかっていません。

1つではなく3つの電子

この時点で、リチウムが結晶学的分析に従事している人々にとって「不透明な本」であることに奇妙なようです。

これは、電子構成が2s ¹であるにもかかわらず、電子が非常に少ないため、適用された放射線と相互作用してその金属結晶を解明することがほとんどできないためです。

さらに、1sと2sの軌道は高圧で重なることが理論化されています。つまり、内部電子（1s ²）と価電子（2s ¹）の両方が、これらの超コンパクト相におけるリチウムの電子的および光学的特性を支配します。

酸化数

リチウムの電子配置は2s ¹であると言っても、単一の電子を失う可能性があります。1s ^2の内部軌道からの他の2つは、除去するのに多くのエネルギーを必要とします。

したがって、リチウムは酸化数が+1のほとんどすべての化合物（無機または有機）に関与します。これは、Eが任意の要素となるその結合Li-Eで、Li ⁺カチオンの存在が想定されることを意味します（この結合が実際にイオン性であるか共有結合であるかに関係なく）。

それよりもはるかに電気陰性度の低い元素に結合する必要があるため、酸化数-1はリチウムでは考えられません。この金属が非常に電気陽性であること自体が難しいという事実。

この負の酸化数は2s ²電子構成（1電子を得る）を表し、ベリリウムと等電子になります。今、李の存在^-アニオンが想定されるだろう、とその派生塩がlithurosと呼ばれることになります。

その酸化電位が大きいため、その化合物は主にLi ⁺陽イオンを含みます。これは非常に小さいため、かさ高い陰イオンに分極効果を発揮してLi-E共有結合を形成できます。

プロパティ

リチウム化合物の真っ赤な炎。出典：Antti T. Nissinen（https://www.flickr.com/photos/veisto/2128261964）

外見

滑らかな質感の銀白色の金属。酸化すると表面が灰色に変化し、空気中の窒素と直接反応して対応する窒化物を形成すると暗くなります。水や油に浮くほど軽いです。

とても滑らかなので、ナイフを使ってスライスしたり、爪でスライスしたりすることもできますが、これはまったくお勧めできません。

モル質量

6.941 g / mol。

融点

180.50°C

沸点

1330°C

密度

25°Cで0.534 g / mL

溶解度

はい、水に浮きますが、すぐに反応し始めます。それはアンモニアに可溶であり、それが溶解すると電子が溶媒和して青色を生成する。

蒸気圧

727°Cで0.818 mm Hg; つまり、高温でも原子がガス相にほとんど逃げることができません。

電気陰性

ポーリングスケールで0.98。

イオン化エネルギー

最初：520.2 kJ / mol

第二：7298.1 kJ / mol

第三：11815 kJ / mol

これらの値は、ガス状イオンLi ⁺、Li ²⁺およびLi ³⁺をそれぞれ取得するために必要なエネルギーに対応しています。

自己発火温度

179°C

表面張力

その融点で398 mN / m。

粘度

液体状態では、水よりも粘性が低くなります。

融合熱

3.00 kJ / mol。

気化熱

136 kJ / mol。

モル熱容量

24,860 J / mol・K この値は異常に高いです。すべての要素の最高。

モース硬度

0.6

同位体

自然界では、リチウムは2つの同位体（⁶ Liおよび⁷ Li）の形で発生します。原子質量6.941 uだけで、2つのうちどちらが最も豊富であるかがわかります：⁷ Li。後者はすべてのリチウム原子の約92.4％を占めます。⁶ Li ながら、それらの約7.6％。

生物では、生物は⁷ Liから⁶ Li を好みます。ただし、鉱物マトリックスでは、⁶ Li 同位体がより適切に受信されるため、その存在比率は7.6％を超えます。

反応性

他のアルカリ金属よりも反応性は低いですが、それでもかなり活性な金属なので、酸化せずに大気に曝すことはできません。条件（温度と圧力）に応じて、それはすべてのガス状要素と反応します：水素、塩素、酸素、窒素。リンや硫黄などの固形物。

命名法

リチウム金属の他の名前はありません。その化合物に関して、それらの大部分は体系的、伝統的、または標準的な命名法に従って命名されています。+1の酸化状態は実質的に変更されていないため、標準的な命名法では（I）は名前の最後に書かれていません。

例

たとえば、化合物Li ₂ OおよびLi ₃ Nを考えてみます。

Li ₂ Oは次の名前を受け取ります。

-在庫名称による酸化リチウム

-伝統的な命名法による酸化リチウム

-体系的な命名法による一酸化二リチウム

Li ₃ Nが呼び出されている間：

-窒化リチウム、標準的な名称

-窒化リチウム、従来の命名法

-一窒化三リチウム、体系的な命名法

生物学的役割

リチウムが生物にとって不可欠であるかどうかは不明です。同様に、それが代謝される可能性のあるメカニズムは不明であり、まだ研究されています。

したがって、リチウムを多く含む食事がどのようなプラスの効果をもたらすかは不明です。それは体のすべての組織で見つけることができますが; 特に腎臓で。

セラトニンレベルのレギュレーター

特定のリチウム塩の身体への薬理学的効果は、特に脳または神経系で知られています。たとえば、幸福の化学的側面に関与する分子であるセロトニンのレベルを調節します。とはいえ、それを消費する患者の気分を変えたり修正したりすると考えることも珍しくありません。

しかし、彼らはセロトニンを上げすぎる危険性があるため、うつ病と闘う薬と一緒にリチウムを消費しないようにアドバイスしています。

それはうつ病と戦うだけでなく、双極性障害と統合失調症の障害、および他の考えられる神経障害も助けます。

欠乏

推測として、食事がリチウムに乏しい個人は、うつ病になりやすい、または自殺または殺人を犯す傾向があると疑われています。ただし、正式にはその欠乏の影響は不明のままです。

どこで見つけて生産するか

リチウムは、地球の地殻では見つけることができず、海や大気では、純粋な状態では、光沢のあるホワイトメタルとしてははるかに少ないです。代わりに、それは何百万年にもわたって変換されており、特定の鉱物や岩石グループでLi ⁺イオン（主に）として位置付けられています。

地球の地殻におけるその濃度は20〜70 ppm（100万分の1）の範囲であると推定されており、これはその約0.0004％に相当します。海洋水域では、その濃度は0.14および0.25 ppmのオーダーです。つまり、リチウムは塩水や海底よりも石やミネラルの方が豊富です。

ミネラル

リチウムの天然資源の1つであるスポジュメン石英。出典：Rob Lavinsky、iRocks.com-CC-BY-SA-3.0

この金属が見つかる鉱物は次のとおりです。

-スポジュメン、LiAl（SiO ₃）₂

-ペタライト、LiAlSi ₄ O ₁₀

-レピドライト、K（Li、Al、Rb）₂（Al、Si）₄ O ₁₀（F、OH）₂

これらの3つの鉱物は、アルミノケイ酸リチウムであることを共通しています。アンブリゴナイト、エルバイト、トリピライト、ユークリプタイト、ヘクトライト粘土など、金属を抽出できる他の鉱物もあります。ただし、スポジュメンは、リチウムが最も多く生成される鉱物です。これらの鉱物は、花崗岩やペグマタイトなどの火成岩を構成します。

海水

海に関しては、塩水から塩化リチウム、水酸化物または炭酸塩、LiCl、LiOHおよびLi ₂ CO ₃としてそれぞれ抽出されます。同じ方法で、湖やラグーンから、またはさまざまな塩水堆積物から取得できます。

全体として、リチウムは地球上の元素の豊富さで25位にランク付けされています。これは、土地と水の両方でのその低濃度とよく相関しており、したがって比較的希少な元素と見なされています。

出演者

リチウムは古い星よりも若い星に多く含まれています。

この金属を純粋な状態で入手または生産するには、2つのオプションがあります（経済的または収益性の側面を無視して）：採掘作業で金属を抽出するか、塩水で収集します。後者は、金属リチウムの生産における主な供給源です。

電気分解による金属リチウムの生産

ブラインからLiClの溶融混合物が得られます。これを電気分解して、塩をその元素成分に分離することができます。

LiCl（l）→Li（s）+ 1/2 Cl ₂（g）

一方、鉱物は酸性媒体で消化され、分離および精製プロセスの後でLi ⁺イオンが得られます。

チリは、アタカマ塩原から取得した世界最大のリチウム生産国として位置付けられています。同じ大陸のアルゼンチンに続き、ホンブルムエルトサル、そして最後にボリビアからLiClを抽出する国が続きます。しかし、オーストラリアはスポジュメンの利用を通じてリチウムの最大の生産国です。

反応

リチウムの最もよく知られている反応は、水と接触したときに起こる反応です。

2Li（s）+ 2H ₂ O（l）→2LiOH（aq）+ H ₂（g）

LiOHは水酸化リチウムであり、ご覧のとおり、水素ガスを生成します。

ガス状の酸素および窒素と反応して、次の生成物を生成します。

4Li（s）+ O ₂（g）→2Li ₂ O（s）

2Li（s）+ O ₂（g）→2Li ₂ O ₂（s）

Li ₂ Oは酸化リチウムであり、過酸化水素であるLi ₂ O _2の上に形成される傾向があります。

6Li（s）+ N ₂（g）→2Li ₃ N（s）

リチウムは、窒素と反応してこの窒化物を発生させることができる唯一のアルカリ金属です。これらのすべての化合物では、Li ⁺カチオンの存在が想定され、共有結合性を持つイオン結合に参加します（またはその逆）。

また、ハロゲンと直接かつ強力に反応することもできます。

2Li（s）+ F ₂（g）→LiF（s）

酸とも反応します：

2Li（s）+ 2HCl（濃度）→2LiCl（水溶液）+ H ₂（g）

3Li（s）+ 4HNO ₃（希薄）→3LiNO ₃（aq）+ NO（g）+ 2H ₂ O（l）

化合物LiF、LiClおよびLiNO ₃は、それぞれフッ化リチウム、塩化物および硝酸塩です。

そしてその有機化合物に関して、最もよく知られているのはリチウムブチルです：

2 Li + C ₄ H ₉ X→C ₄ H ₉ Li + LiX

ここで、Xはハロゲン原子であり、C ₄ H ₉ Xはハロゲン化アルキルです。

リスク

純金属

リチウムは水と激しく反応し、皮膚の水分と反応します。だれかが素手で扱った場合、やけどを負うことになります。また、造粒や粉末状の場合、常温で発火し、火災の危険があります。

この金属の取り扱いには手袋と安全メガネを使用してください。目との接触が最小限の場合、激しい刺激を引き起こす可能性があります。

吸入した場合、その影響はさらに悪化し、腐食性物質であるLiOHが内部で形成されるため、気道が燃焼し、肺水腫を引き起こします。

この金属は、油中または乾燥した大気中に沈められ、窒素よりも不活性でなければなりません。たとえば、最初の画像に示すように、アルゴン中です。

化合物

リチウムに由来する化合物、特に炭酸塩やクエン酸塩などのその塩は、はるかに安全です。それらを摂取する人々が彼らの医者によって処方された適応を尊重する限り。

患者に生じる可能性のある多くの望ましくない影響には、下痢、吐き気、疲労、めまい、ふらつき、振戦、過度の排尿、喉の渇き、体重増加などがあります。

妊娠中の女性では、さらに深刻な影響があり、胎児の健康に影響を与えたり、先天性欠損症を増やしたりする可能性があります。同様に、リチウムは牛乳から乳児に移行する可能性があり、そこからあらゆる種類の異常または悪影響が生じるため、授乳中の母親にはその摂取は推奨されません。

用途

人気のレベルでこの金属の最もよく知られている用途は、医学の領域にあります。しかし、それは他の分野、特にバッテリーの使用によるエネルギー貯蔵での応用があります。

冶金

リチウム塩、特にLi ₂ CO _3は、さまざまな目的で鋳造プロセスの添加剤として機能します。

-脱ガス

-脱硫

-非鉄金属の粒子を精製します

-鋳型のスラグの流動性を増加させます

-比熱が高いため、アルミニウム鋳造品の溶融温度が下がります。

有機金属

アルキルリチウム化合物は、分子構造をアルキル化（R側鎖を追加）またはアリール（Ar芳香族基を追加）するために使用されます。それらは有機溶媒への溶解性がよく、反応媒体中でそれほど反応性がないことで際立っています。したがって、それは複数の有機合成のための試薬または触媒として機能します。

潤滑剤

ステアリン酸リチウム（グリースとLiOHの間の反応の生成物）が油に添加されて、潤滑混合物が作成されます。

このリチウム潤滑剤は、高温に耐性があり、冷却しても硬化せず、酸素と水に対して不活性です。そのため、軍事、航空宇宙、産業、自動車などのアプリケーションでの使用が見られます。

セラミックおよびガラス添加剤

Li ₂ Oで処理されたガラスまたはセラミックは、溶融時の粘度が低く、熱膨張に対する耐性が高くなります。たとえば、台所用品はこれらの材料で作られ、パイレックスガラスもその組成にこの化合物が含まれています。

合金

それはそのような軽い金属なので、その合金もそうです。それらの中で、アルミニウムリチウムのもの。添加剤として追加すると、重量が減るだけでなく、高温に対する耐性も高くなります。

冷媒

比熱が高いため、大量の熱が放出されるプロセスで冷媒として使用するのが理想的です。たとえば、原子炉で。これは、温度を上げるのに「コスト」がかかるため、熱が外部に放射されにくいためです。

バッテリー

そして、すべての最も有望な用途は、リチウムイオン電池の市場です。これらは、リチウムがLi ⁺に酸化される容易さを利用して、放出された電子を使用し、外部回路をアクティブにします。したがって、電極は、金属リチウムまたはその合金のいずれかで作られ、Li ⁺がインターカレートし、電解質材料を通って移動することができます。

最後の好奇心として、音楽グループEvanescenseは、この鉱物に「リチウム」というタイトルの曲を捧げました。

参考文献

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リチウム：歴史、構造、特性、リスク、用途 - 化学 - 2025

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